Электронные приборы СВЧ предназначены для работы в сверхвысокочастотном диапазоне радиоволн (от 300 МГц до 3000 ГГц). В этом диапазоне работа обычных элементов (транзисторы, микросхемы, обычные лампы) невозможна из-за влияния индуктивностей и ёмкостей вводов и выводов и соизмеримости линейных размеров приборов с рабочей длиной волны.
В этом случае разработаны специальные электронные приборы СВЧ в основу работы которых положен принцип взаимодействия электронов с электромагнитными полями.
Магнетрон
Когда дело доходит до эффективной генерации когерентной радиочастотной мощности в компактном корпусе, то лучше всего с этим справляется электронный прибор СВЧ магнетрон.
Магнетрон впервые был применен во время Второй мировой войны, как выходной усилитель на британском радаре. В то время как использование магнетрона в радиолокации начало ослабевать в 1970-х годах, прибор обрел новую жизнь в промышленном, научном и медицинском применении, которое продолжается и сегодня.
Применение магнетрона
Широко применяется электронный прибор СВЧ магнетрон в медицине. В линейном ускорителе он создает высокоэнергетический электронный пучок. Когда электроны в пучке отклоняются ядрами мишени, состоящей из материала с высоким атомным номером, такого как вольфрам, образуется сильное рентгеновское излучение, которое затем может быть направлено на уничтожение раковых клеток в опухолях. Первый клинический ускоритель для лучевой терапии был установлен в лондонской больнице Хаммерсмит в 1952 г. Магнетрон мощностью 2 мегаватта приводил в действие 3-метровый ускоритель.
Для удовлетворения потребностей радиационной онкологии учёные продолжают разрабатывать мощные магнетроны. Медицинский магнетрон генерирует пиковую мощность 2,6 МВт при средней мощности 3 киловатта и КПД более 50 процентов. Всего 37 сантиметров в длину и весом около 8 килограммов, он достаточно мал и легок, чтобы поместиться во вращающийся рычаг аппарата для лучевой терапии.
Гиротрон
Разработанный в 1960-х годах в Советском Союзе, гиротрон представляет собой мощное вакуумное устройство, используемое в основном для нагрева плазмы в экспериментах по ядерному синтезу, таких как международный экспериментальный термоядерный реактор ITER, который в настоящее время строится на юге Франции. Для этих экспериментальных реакторов может потребоваться температура до 150 миллионов °C.
Принцип работы гиротрона
В гиротроне используются пучки энергичных электронов, вращающихся в сильном магнитном поле внутри полости. Взаимодействие между вращающимися электронами и электромагнитным полем резонатора генерирует высокочастотные радиоволны, которые направляются в плазму. Высокочастотные волны ускоряют электроны в плазме, нагревая плазму.
Лампа, которая производит 1 МВт средней мощности достаточно большая. Термоядерные гиротроны обычно имеют высоту от 2 до 2,5 метров и весят около тонны, включая сверхпроводящий магнит мощностью 6 или 7 Тесла.
Применение гиротрона
В дополнение к нагреву термоядерной плазмы, гиротроны используются в обработке материалов и спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Они также были исследованы для несмертельного воздействия на толпы в системе внутренних дел. Эта система проецирует относительно широкий луч миллиметровой волны, возможно, полтора метра в диаметре. Луч предназначен для нагрева поверхности кожи человека, создавая ощущение жжения, но не проникая в нижележащие ткани и не повреждая их.
Лампа бегущей волны
Как следует из названия, электронный прибор СВЧ лампа бегущей волны усиливает сигналы за счет взаимодействия между электрическим полем бегущей или распространяющейся электромагнитной волны в цепи и потоковым электронным пучком.
Большинство ламп бегущей волны (ЛБВ) 20-го века были рассчитаны на чрезвычайно высокое усиление мощности с коэффициентом усиления 100 000 и более. 
Существуют ЛБВ с коэффициентом усиления около 1000 (или 30 децибел) предназначенные для приложений, где требуется выходная мощность в диапазоне от 40 до 200 Вт, а также где желательны небольшие размеры и более низкое напряжение. Например, есть 40-ваттные мини-ЛБВ, работающие на частоте 14 гигагерц, помещается на ладони и весит менее полукилограмма.
Применение лампы бегущей волны
Как выясняется, военные службы испытывают большую потребность в ЛБВ. Вскоре после их появления в 1980-х годах лампы бегущей волны были приняты на вооружение в системах радиоэлектронной борьбы на самолетах и кораблях для защиты от ракет с радиолокационным наведением. В начале 1990-х годов разработчики устройств начали интегрировать ЛБВ с компактным высоковольтным источником питания для питания устройства и твердотельным усилителем для его управления. Эта комбинация создала то, что известно как модуль микроволновой мощности. Благодаря своим небольшим размерам, малому весу и высокой эффективности усилители на лампе бегущей волны нашли немедленное применение в радиолокационных и коммуникационных передатчиках на борту военных беспилотных летательных аппаратов, таких как Predator и Global Hawk, а также в средствах радиоэлектронного противодействия.
Клистрон
Клистрон помог вступить в эру большой науки в области физики высоких энергий. Клистроны преобразуют кинетическую энергию электронного пучка в радиочастотную энергию. Устройство имеет гораздо большую выходную мощность, чем лампа бегущей волны или магнетрон. Американцы основавшими одну из первых высокотехнологичных компаний в Силиконовой долине братья Рассел и Сигурд Вариан изобрели клистрон в 1930-х годах и вместе с другими основали высокотехнологичную компанию Varian Associates для его продвижения. В наши дни применение клистрона выполняется в сфере связи и энергетики.
Принцип работы клистрона
Внутри клистрона электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду, образуя электронный пучок. Магнитное поле удерживает пучок от расширения, когда он проходит через отверстие в аноде к коллектору пучка. Между анодом и коллектором расположены полые структуры, называемые полостными резонаторами. Высокочастотный сигнал подается на резонатор, ближайший к катоду, создавая электромагнитное поле внутри резонатора. Это поле модулирует электронный пучок, когда он проходит через резонатор, заставляя скорость электронов изменяться, и электроны собираются в группы, когда они движутся к другим резонаторам полости ниже по потоку. Большая часть электронов замедляется, когда они проходят через конечный резонатор. В результате получается выходной сигнал, который намного превышает входной сигнал.
Применение клистрона
В 1960-х годах инженеры разработали клистрон, который должен был служить источником радиочастотного излучения для нового 3,2-километрового линейного ускорителя частиц, строящегося в Стэнфордском университете. Работая на частоте 2,856 гигагерц и используя электронный пучок напряжением 250 киловольт, клистрон вырабатывал пиковую мощность 24 МВт. С помощью клистрона достигалась энергия частиц до 50 миллиардов электрон-вольт.
Клистроны проложили путь к широкому использованию вакуумных ламп в качестве источников радиочастотного излучения для передовой физики элементарных частиц и рентгеновских источников света. Версия клистронов мощностью 65 МВт все еще находится в производстве. Клистроны также используются для досмотра грузов, стерилизации пищевых продуктов и радиационной онкологии.
Лампа бегущей волны с кольцевым стержнем
Применяется сейчас и электронный прибор СВЧ — огромная лампа бегущей волны с кольцевым стержнем.
Эта мощная лампа имеет длину более 3 метров от катода до коллектора, что делает ее самой большой в мире. На базе ВВС Кавальер в Северной Дакоте имеется 128 таких кольцевых ламп, обеспечивающих радиочастотную частоту для чрезвычайно мощного радара с фазированной антенной решеткой. Этот 440-мегагерцовый радар ищет баллистические ракеты, запущенные в сторону Северной Америки. Он также отслеживает космические запуски и орбитальные объекты в рамках Сети космического наблюдения. Построенный в 1972 году радар отслеживает более половины всех объектов, вращающихся вокруг Земли, и, как говорят, способен идентифицировать объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии 3200 км.
Еще более высокочастотная версия лампы бегущей волны с кольцевым стержнем используется в радаре с фазированной антенной решеткой на американском удаленном острове Шемья, примерно в 1900 км от побережья Аляски. Радар отслеживает запуски неамериканских баллистических ракет. Он также собирает данные наблюдения за космическими запусками и спутниками на низкой околоземной орбите.
Принцип работы лампы бегущей волны с кольцевым стержнем
Схема, используемая в этом приборе, известна как кольцевой стержень, который состоит из круглых колец, соединенных чередующимися полосами или стержнями, повторяющимися по его длине. Эта установка обеспечивает более высокую напряженность поля поперек электронного пучка, чем обычная ЛБВ, в котором радиочастотные волны распространяются по спиралевидному проводу. Более высокая интенсивность поля кольцевой трубки приводит к более высокому коэффициенту усиления и хорошей эффективности.
Убитрон
За пятнадцать лет до того, как был введен термин “лазер на свободных электронах», существовала вакуумная лампа, работавшая по тому же основному принципу волнообразного взаимодействия лучей.
Изобретение убитрона в 1957 году произошло случайно. Роберт Филлипс, инженер микроволновой лаборатории General Electric в Пало-Альто, штат Калифорния, пытался объяснить, почему одна из ламп бегущей волны лаборатории колебалась, а другая — нет. Сравнивая две лампы, он заметил различия в их магнитной фокусировке, что приводило к колебанию луча в одной трубке. Он предположил, что эта волнистость может привести к периодическому взаимодействию с электромагнитной волной в волноводе. Это, в свою очередь, может быть полезно для создания чрезвычайно высоких уровней пиковой радиочастотной мощности. Так родился убитрон.
Применение убитрона
С 1957 по 1964 год Филлипс и его коллеги построили и протестировали множество убитронов. Работая при напряжении 70 000 Вольт, эта лампа вырабатывала пиковую мощность 150 кВт на частоте 54 ГГц, что является рекордным уровнем мощности, который сохранялся более десяти лет. Армия США, которая финансировала разработку убитрона, прекратила исследования и разработки в 1964 году, потому что не было антенн или волноводов, которые могли бы выдерживать такие высокие уровни мощности.
Современные лазеры на свободных электронах используют тот же основной принцип, что и убитрон. Фактически, в знак признания новаторской работы разработчики получили премию за лазер на свободных электронах в 1992 году. установленные в настоящее время в больших источниках света и рентгеновского излучения на ускорителях частиц, производят мощное электромагнитное излучение, которое используется для изучения динамики химических связей, понимания фотосинтеза, анализа того, как лекарства связываются с мишенями, и даже для создания теплой плотной материи для изучения того, как образуются газовые планеты.
Лампа обратной волны (карцинотрон)
Французский прибор под названием карцинотрон — еще один увлекательный пример военного применения электронных СВЧ приборов. Связанный с магнетроном, карцинотрон был задуман Бернардом Эпштейном в 1951 году во французской компании Thales.
Как и убитрон, карцинотрон вырос из попытки решить проблему колебаний на обычной ЛБВ. В этом случае источник колебаний был прослежен до мощности радиочастотного контура, текущей назад, в направлении, противоположном электронному лучу трубки. Эпштейн обнаружил, что частоту колебаний можно изменять в зависимости от напряжения, что привело к патенту на перестраиваемую по напряжению лампу обратной волны.
Применение лампы обратной волны — карцинотрона
В течение примерно 20 лет электронные глушители в Соединенных Штатах и Европе использовали лампы обратной волны (карцинотроны) в качестве источника радиочастотной энергии. Глушитель на базе электронного прибора СВЧ карцинотрона выдавал 200 Вт радиочастотной мощности в S-диапазоне, который простирается от 2 до 4 ГГц.
Учитывая уровень мощности, с которым они могут работать, карцинотроны довольно компактны. Модель мощностью 500 Вт с постоянным фокусирующим магнитом весит всего 8 кг и имеет размеры 24 на 17 на 15 см, что немного меньше обувной коробки.
Двухрежимная лампа бегущей волны
Двухрежимная лампа бегущей волны как электронный прибор СВЧ представлял собой необычную микроволновую трубку, разработанную в Соединенных Штатах в 1970-х и 80-х годах для электронного противодействия радарам. Способная работать как с маломощными непрерывными волнами, так и с мощными импульсами, эта лампа следовала старой пословице, что два лучше, чем один: у нее было два луча, две схемы, две электронные пушки, два фокусирующих магнита и два коллектора, все заключенные в единую вакуумную оболочку.
Применение двухрежимной лампы бегущей волны
Основным преимуществом лампы было то, что она расширяла область применения данного приложения — например, система противодействия могла работать как в режиме непрерывной волны, так и в режиме импульсной мощности, но с одним передатчиком и простой антенной подачей. Управляющая сетка в электронной пушке в более короткой секции с импульсной мощностью может быстро переключать лампу с импульсной на непрерывную волну или наоборот.
Многолучевой клистрон
Мощность, как известно, равна напряжению, умноженному на ток. Чтобы получить больше энергии от вакуумной лампы, можно увеличить напряжение электронного пучка, но для этого требуется трубка большего размера и более сложный источник питания. Или можно увеличить ток луча, но это тоже может быть проблематично. Для этого необходимо убедиться, что устройство может поддерживать более высокий ток и что требуемое магнитное поле может безопасно транспортировать электронный луч через цепь лампы, то есть ту часть, которая взаимодействует с электронным лучом.
Все эти предостережения применимы, если говорить об обычной вакуумном СВЧ приборе с одним электронным пучком и одним контуром. Но что, если использовать несколько лучей, исходящих от нескольких катодов и проходящих через общую цепь? Даже если отдельные токи пучка являются умеренными, общий ток будет высоким, в то время как общая эффективность устройства не пострадает.
Применение многолучевого клистрона
Такое многолучевое устройство изучалось в 1960-х годах в Соединенных Штатах, Советском Союзе и других странах. Работа в США прекратилась, но деятельность в СССР продолжалась, что привело к успешному развертыванию многолучевого клистрона или MBK. В СССР использовался многолучевой клистрон для радиолокации и других целей.
Многолучевой клистрон используется в Европейском рентгеновском лазерном центре на свободных электронах. Клистрон имеет семь лучей, обеспечивающих общий ток 137 ампер, с пиковой мощностью 10 МВт и средней мощностью 150 кВт; ее КПД превышает 63 процента. В отличие от этого, однолучевой клистрон, разработанный фирмой Thomson, обеспечивает пиковую мощность 5 МВт и среднюю мощность 100 кВт с КПД 40 процентов. Таким образом, с точки зрения его способности к усилению, один многолучевой клистрон эквивалентен двум обычным клистронам.
Коакситрон
Все электронные приборы СВЧ представляют собой то, что специалисты называют лучево-волновыми устройствами (или потоково-волновыми в случае магнетрона).
Коакситрон, разработанный в начале 1960-х годов, представляет собой уникальную перестановку цилиндрической конструкции. Электроны текут радиально от цилиндрического коаксиального катода к аноду. Но вместо того, чтобы иметь один эмиттер электронов, катод коакситрона сегментирован по его окружности, а источником электронов служат многочисленные нагретые нити. Каждая нить накала образует свой собственный маленький пучок электронов. Поскольку пучок лучей течет радиально к аноду, для удержания электронов не требуется никакого магнитного поля (или магнита). Таким образом, коакситрон очень компактен, учитывая его большой уровень мощности около мегаватта.
Применение коакситрона
Коакситрон мощностью 1 МВт и частотой 425 МГц весил 59 кг и имел высоту 61 см. Хотя усиление было скромным (от 10 до 15 дБ), это все равно было настоящим испытанием в качестве компактного сверхвысокочастотного усилителя мощности. Разработчики рассматривала коакситрон в качестве источника для возбуждения радиочастотных ускорителей, но в конечном итоге он применяется в мощном сверхвысокочастотном радаре. Хотя коакситроны недавно были вытеснены твердотельными устройствами, некоторые из них все еще используются в устаревших радиолокационных системах.
Другие электронные приборы СВЧ
До появления этих устройств в первых электронных приборах СВЧ были решетки, которые представляют собой прозрачные металлические электроды, похожие на экран, вставленные между катодом и анодом для управления или модуляции потока электронов. В зависимости от того, сколько сеток имеет лампа, прибор называется диодом (без сеток), триодом (одна сетка), тетродом (две сетки) и так далее. Маломощные приборы назывались “приемными лампами», потому что они обычно использовались в радиоприемниках или в качестве переключателей.
Были, конечно, и более мощные электронные приборы СВЧ. Передающие лампы использовались в радиопередатчиках. Позже высокомощные сетевые лампы нашли свое применение в широком спектре интересных промышленных, научных и военных применений.
Триоды и сетчатые лампы более высокого порядка включали в себя катод, сетку для регулирования тока и анод или коллектор (или пластину). Большинство этих ламп были цилиндрическими, с центральным катодом, обычно нитью накала, окруженной электродами.
